带有保护涂层的传感器组件及施加涂层的方法
【专利摘要】本发明涉及带有保护涂层的传感器组件及施加涂层的方法。公开了一种带有保护涂层的传感器组件及施加涂层的方法。传感器组件包括传感器、从传感器延伸的第一传导性导线、从传感器延伸的第二传导性导线、以及封装传感器与接近传感器的第一传导性导线和第二传导性导线的部分的保护涂层，其中，保护涂层包括含氟弹性体聚合物。通过将传感器组件浸入冷却的含氟弹性体聚合物中并然后取出传感器组件从而施加涂层。
【专利说明】带有保护涂层的传感器组件及施加涂层的方法
【技术领域】
[0001]本文所公开的主题涉及用于高温和高腐蚀性环境中的带有保护涂层的传感器组件。
【背景技术】
[0002]由于环境法规变得日益严格，因而新技术正用于允许使内燃机符合法规。例如，在机动车辆行业内，已经开发出了排出气体再循环(EGR)系统，其使排出气体的至少一部分再循环回发动机的燃烧室中。尽管EGR系统减少了包括NOx的某些污染物的排放，但在排出气体在发动机内再循环时，发动机构件会在较长的一段时间内暴露于更高浓度的这些气体。这导致EGR系统内的酸性水平升高，包括硝酸和硫酸。高温和高腐蚀性环境可不利地影响设置在EGR系统中的发动机构件和包括热敏电阻器的传感器的功能。
[0003]尽管常规热敏电阻器通常由环氧树脂、硅树脂或其它聚合树脂的涂层保护，但EGR系统的高腐蚀性环境提出了用于涂布传感器的这些常规树脂不满足的特殊要求。将期望提供一种带涂层的传感器，其能够在高腐蚀性环境内作用，而不论新环境法规所需的腐蚀性化合物的升高的水平。
[0004]上文的论述仅针对一般背景信息而提供，且并非旨在用作有助于确定所主张的主题的范围。
【发明内容】
[0005]公开了一种带有保护涂层的传感器组件和施加涂层的方法。传感器组件包括传感器、从传感器延伸的第一传导性导线、从传感器延伸的第二传导性导线以及封装传感器与接近传感器的第一传导性导线和第二传导性导线的部分的保护涂层，其中，保护涂层包括含氟弹性体聚合物。涂层通过将传感器组件浸入冷却的含氟弹性体聚合物中并然后取出传感器组件从而施加。通过一些公开的实施例的实施可实现的优点在于含氟弹性体聚合物在不导电的情况下保护传感器。
[0006]在一个示例性实施例中，公开了一种装置，该装置包括传感器组件，其包括传感器、第一传导性导线和第二传导性导线、以及封装传感器与第一传导性导线和第二传导性导线的部分的保护涂层。保护涂层包括无碳黑的含氟弹性体聚合物。
[0007]在另一个示例性实施例中，公开了一种涂布传感器组件的方法，该方法包括以下步骤:将含氟弹性体聚合物溶解在有机载体溶剂中、调整有机载体溶剂的粘性、冷却溶解的含氟弹性体聚合物、将传感器组件浸入冷却的含氟弹性体聚合物中、取出传感器组件、允许有机载体溶剂中的至少一些蒸发以及固化共形层来产生带涂层的传感器组件。
[0008]在另一个实施例中，公开了一种系统，该系统包括排出气体再循环系统，排出气体再循环系统包括:带有至少一个缸室的发动机、两者均连接到缸室的进气歧管和排气歧管、连接到排气歧管和缸室以用于使排出气体中的一部分再循环的排出气体再循环管线、用于在排出气体穿过排出气体再循环管线时冷却排出气体的冷却器、用于感测沿着排出气体再循环管线的第一位置的温度的带涂层的热敏电阻器组件，第一带涂层的热敏电阻器组件包括热敏电阻器、从热敏电阻器延伸的第一传导性导线、从热敏电阻器延伸的第二传导性导线、以及封装热敏电阻器和接近热敏电阻器的第一传导性导线和第二传导性导线的部分的保护涂层，其中，保护涂层包括无碳黑的含氟弹性体聚合物。
[0009]一种传感器组件，包括:
传感器；
从传感器延伸的第一传导性导线；
从传感器延伸的第二传导性导线；以及
保护涂层，封装传感器与接近传感器的第一传导性导线和第二传导性导线的部分，其中，保护涂层包括无碳黑的含氟弹性体聚合物。
[0010]优选地，含氟弹性体聚合物包括反应混合物的聚合产物，反应混合物包括至少一个共聚用单体和四氟乙烯和/或偏二氟乙烯。
[0011]优选地，至少一个共聚用单体包括丙烯。
[0012]优选地，丙烯为六氟丙烯。
[0013]优选地，含氟弹性体聚合物为饱和的。
[0014]优选地，含氟弹性体聚合物含按重量至少60%的氟。
[0015]优选地，含氟弹性体聚合物具有大约50kV每毫米或更大的介电强度。
[0016]优选地，传感器为热 敏电阻器。
[0017]优选地，热敏电阻器为负温度系数陶瓷。
[0018]一种涂布传感器组件的方法，方法包括以下步骤:
将含氟弹性体聚合物溶解在有机载体溶剂中；
调整有机载体溶剂的粘性；
将溶解的含氟弹性体聚合物冷却至低于周围环境温度的温度；
将传感器组件浸入冷却的含氟弹性体聚合物中，其中，传感器组件包括传感器和两条传导性导线，并且其中，也将整个传感器和接近传感器的传导性导线的部分浸入；
从含氟弹性体聚合物中取出传感器组件；
在取出传感器组件的步骤之后允许有机载体溶剂中的至少一些蒸发，从而产生含氟弹性体聚合物的共形层；以及
固化共形层来产生带涂层的传感器组件。
[0019]优选地，方法还包括重复以下步骤:将传感器组件浸入、取出传感器组件以及允许有机溶剂中的至少一些蒸发来形成多个共形层。
[0020]优选地，方法还包括对带涂层的传感器组件的一部分进行颜色编码的步骤。
[0021]优选地，允许的步骤还包括持续至少两分钟的周围环境干燥步骤。
[0022]优选地，固化的步骤将带涂层的传感器组件加热至至少大约100°C的温度持续大约三十分钟。
[0023]优选地，固化的步骤还包括将带涂层的传感器组件加热至预定温度持续预定时间的步骤，选择预定时间以移除有机载体溶剂并使含氟弹性聚合物交联。
[0024]优选地，固化的步骤还包括分步加热过程，分步加热过程移除残余的有机载体溶剂。[0025]—种排出气体再循环系统，系统包括:
带有至少一个缸室的发动机；
进气歧管和排气歧管，两者均连接到缸室；
排出气体再循环管线，其连接到排气歧管和缸室以使排出气体中的一部分再循环到缸
室中;
冷却器，其操作地连接到排出气体再循环管线以用于在排出气体穿过排出气体再循环管线时冷却排出气体；
第一带涂层的热敏电阻器组件，其用于感测沿着排出气体再循环管线的第一位置的温度，第一带涂层的热敏电阻器组件包括:
热敏电阻器；
从热敏电阻器延伸的第一传导性导线；
从热敏电阻器延伸的第二传导性导线；以及
保护涂层，封装传感器与接近传感器的第一传导性导线和第二传导性导线的部分，其中，保护涂层包括无碳黑的含氟弹性体聚合物。
[0026]优选地，排出气体再循环系统还包括用于感测沿着排出气体再循环管线的第二位置的温度的第二带涂层的热敏电阻器组件。
[0027]优选地，第一带涂 层的热敏电阻器组件和第二带涂层的热敏电阻器组件设置在冷却器的相对侧，第一带涂层的热敏电阻器组件用于感测冷却器之前的温度，并且第二带涂层的热敏电阻器组件用于感测冷却器之后的温度。
[0028]本发明的简述仅旨在提供根据一个或多个示范性实施例的本文所公开的主题的简要概述，且并非用作阐明权利要求或者限定或限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求限定。提供该简述来以简化的形式介绍理念的示范性选择，其将在下文的详细描述中进一步描述。该简述并非旨在识别所主张的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用作有助于确定所主张的主题的范围。所主张的主题不限于解决背景中所记载的任何缺点或所有缺点的实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]所以可理解本发明的特征的方式为，可参照某些实施例而获得本发明的详细描述，附图中示出了一些实施例。然而，应当注意的是，附图仅示出了本发明的某些实施例，且因此不应被看作限制其范围，本发明的范围涵盖其它同样有效的实施例。附图不必按比例，重点大致在于示出本发明的某些实施例的特征。在附图中，类似的标号始终用于表示各个视图的类似的部分。因此，为了进一步理解本发明，可对以下详细描述进行参照，结合附图来阅读，在附图中:
图1绘出了示例性带涂层的传感器组件；
图2为绘出用于涂布传感器组件的示例性方法的流程图；以及 图3为使用带涂层的热敏电阻器的排出气体再循环(EGR)系统的简图。
【具体实施方式】
[0030]图1绘出了包括传感器102的示例性传感器组件100。在一个实施例中，传感器102为负温度系数(NTC)陶瓷热敏电阻器。将理解的是，除热敏电阻器外，其它类型的传感器可形成传感器组件100的一部分。第一传导性导线104和第二传导性导线106从传感器102延伸。保护涂层108封装传感器102与接近传感器102的第一传导性导线104和第二传导性导线106的部分。
[0031]在图1中的示例性实施例中，保护涂层108由含氟弹性体聚合物(fluoroelastomeric polymer)制成。含氟弹性体聚合物(FKM)为呈现出抗腐蚀性的一类聚合物。含氟弹性体聚合物通常用于通过注入模制来形成用于机械的机动车辆应用、航空航天应用和/或工业应用的O形环、垫圈和密封件。由于这些含氟弹性体聚合物中的许多都包括便于模制过程的导电添加剂，故不期望常规含氟弹性体聚合物与包括热敏电阻器的电气装置一起使用。
[0032]选择用于保护涂层108的含氟弹性体聚合物以提供可接受水平的化学耐久性，以抵抗EGR系统的酸性环境，包括在不包括导电添加剂的情况下以升高的温度抵抗硝酸、硫酸和生物柴油燃烧产物。含氟弹性体聚合物设计成作用为带有大约50kV每毫米或更大的介电强度的电绝缘涂层。在一些实施例中，电阻值在500伏的情况下大于100兆欧。含氟弹性体聚合物还将具有足够的硬度来防护传感器组件100免受物理损坏，例如，六十或更大的肖氏硬度。还期望足够柔性以允许第一传导性导线104和第二传导性导线106弯曲。还选择含氟弹性体聚合物以呈现出可接受的水浸阻力(例如，以6.81千欧的串联电阻器在5V的功率的情况下以85°C进行水浸1000小时之后，热敏电阻器的电阻的最小改变)和机械性质(例如，能够经得起_40°C至155°C之间的热冲击的超过3000次循环)。含氟弹性体聚合物还应能够经受大约200°C的固化温度，而不会不利地影响性能。这些性质中的一个或多个存在于EGR系统的恶劣环境中，该环境包括高温(对于高熔点铅焊料为250°C，或对于无铅焊料为200°C )情况下的高浓度的酸。为了允许传感器组件100的适当涂布，能够通过浸溃涂布从而施加含氟弹性体聚合物。
[0033]含氟弹性体聚合物为包括带有一个或多个共聚用单体的氟化单体或全氟化单体的反应混合物的聚合产物。适合的 单体的示例包括偏二氟乙烯和四氟乙烯。适合的共聚用单体的示例包括氟化丙烯，如六氟丙烯。适合的单体的其它示例包括四氟乙烯和全氟甲基乙烯基醚。产生的含氟弹性体聚合物通常含按重量60%的氟或更高，且为饱和的。一种适合的含氟弹性体聚合物由杜邦以VIT0N?为商标名出售。必须小心选择含氟弹性体聚合物配方，其中省略传导性处理助剂，如碳黑(例如,非黑色VIT0N?)。
[0034]图2为绘出用于以保护涂层108 (图1)来涂布传感器组件100的一个示例性方法200的流程图。在步骤202中，含氟弹性聚合物溶解于有机载体溶剂中。在一个实施例中，选择带有高挥发性的有机载体溶剂来允许涂布之后的快速蒸发。适合的有机载体溶剂的示例包括低分子量酮，如甲乙酮、丙酮等。本领域中的技术人员在得益于阅读本说明书之后将清楚其它适合的有机载体溶剂。足量的有机载体溶剂用于基于所期望的粘性来提供按重量例如30%至50%的液体。在一个实施例中，含氟弹性聚合物配方包括固体。大体上，选择化学上惰性的固体。适合的固体的示例包括金属氧化物，如二氧化钛和二氧化硅。
[0035]在步骤204中，调整溶解的含氟弹性聚合物的粘性。在一个实施例中，通过添加足量的有机载体溶剂来调整粘性，以达到所期望的粘性。粘性调整至例如1000厘泊至5000厘泊之间的值。在一些实施例中，通过允许有机载体溶剂中的一部分蒸发来调整粘性。[0036]在步骤206中，液体冷却至低于周围环境温度的温度，以减小有机载体溶剂的蒸发速率。液体可冷却至比周围环境温度低大约10°c的温度。在一个示例性实施例中，周围环境温度为大约25°c，且液体可冷却至大约15°C的温度。
[0037]在步骤208中，传感器组件的整个传感器在含氟弹性体聚合物溶解之后浸入冷却的含氟弹性体聚合物中。传感器组件浸入，使得接近传感器的传感器组件的传导性导线的一部分也浸入。这有助于保护传感器与传感器导线之间的连接。
[0038]在步骤210中，从冷却的含氟弹性体聚合物中取出传感器组件。执行步骤210的速率控制所产生的层的厚度。当期望厚的层时，相对较快地取出传感器组件。冷却的有机载体溶剂接触相对较暖的周围环境温度并快速地蒸发以沉积含氟弹性体聚合物的相对较厚的层。当期望薄的层时，相对较慢地取出传感器组件。向冷却的有机载体溶剂给予了在其接触相对较暖的周围环境温度之前流出传感器组件的时间。这沉积了含氟弹性体聚合物的相对较薄的层。通过调整取出传感器组件的速度，从而产生带有预定厚度的层。在一些实施例中，多个层以一个在另一个顶部地沉积，并提供预定厚度的共形层。
[0039]在步骤212中，允许有机载体溶剂中的至少一部分蒸发来形成新沉积的含氟弹性体聚合物的半固体共形层。在一个实施例中，步骤212还包括持续至少两分钟的周围环境干燥步骤。例如，新沉积的含氟弹性体聚合物可暴露于周围环境大约两分钟，以允许有机载体溶剂蒸发。由于周围环境相对于有机载体溶剂的温度较暖，故便于蒸发。
[0040]在步骤214中，作出关于是否应当沉积含氟弹性体聚合物的附加层的确定。如果期望另一层，则方法200回到步骤208，且传感器组件再次浸入冷却的含氟弹性体聚合物中。这将含氟弹性体聚合物的附加层沉积到先前沉积的层的顶部。如果不期望另一层，则可执行步骤216，其中，带涂层的传感器组件的一部分(例如，顶端)浸溃于着色剂中以提供预定颜色的涂层用于颜色编码。多种相容的着色剂是本领域中已知的。在一个实施例中，提供两层含氟弹性体聚合物。在另一个实施例中，提供三层含氟弹性体聚合物。有利的是，由于使用浸溃涂布技术来施加共形层，故容易地控制所产生的涂层的厚度。可通过使用该技术来实现30_或更大的涂层长度(即，浸入深度)。
[0041]在步骤218中，固化含氟弹性体聚合物的层来封装传感器。在一个实施例中，固化步骤包括将带涂层的传感器组件加热至预定温度持续预定时间，选择该预定时间以移除有机载体溶剂且使含氟弹性聚合物交联(硫化)。例如，带涂层的传感器组件可加热至大约100°C的温度持续大约三十分钟。带涂层的传感器组件还可经历分步加热过程，分步加热过程既驱散任何残余的有机载体溶剂，又固化含氟弹性体聚合物的层，以将传感器密封在含氟弹性体聚合物内。示例性的分步加热过程将固化的带涂层的传感器组件加热至大约90°c的温度持续预定的一段时间。此后，温度升高至大约160°C持续预定的一段时间。在180°C至200°C的温度下同样地执行两个附加分步加热过程。
[0042]根据本说明书的教导内容，带涂层的热敏电阻器在浸入水中以85°C运行2000小时之后显示出小于3%的电阻变化。热敏电阻器在高达170°C的温度的1000小时的老化之后同样显示出小于0.4%的电阻变化。 相比之下，常规热敏电阻器在经历相同的状态时显示出明显更大的电阻变化。
[0043]图3为使用带涂层的热敏电阻器302的EGR系统300的简图。EGR系统300包括缸室304，缸室304连接到进气歧管306。排气歧管308也连接到缸室304。排气歧管308包括排出气体再循环管线310，该排出气体再循环管线310使排出气体返回缸室304。在图
3的示例性实施例中，排出气体再循环管线310通过将排出气体再引入进气歧管306中从而使排出气体中的一部分返回缸室304。再循环的排出气体的体积由EGR阀312调节。
[0044]图3中的EGR系统300包括操作地连接到排出气体再循环管线310的冷却器314。适合的冷却器的示例包括循环油冷却器、水冷却器等。假定可交换热，则冷却器314可与排出气体再循环管线310物理接触，或接近排出气体再循环管线310。为了确保冷却器314适当地作用，第一带涂层的热敏电阻器组件302定位在沿着排出气体再循环管线310的第一位置处。在图3的示例性实施例中，第一带涂层的热敏电阻器组件302设置在冷却器314之前，以在冷却排出气体之前监测排出气体的温度。在另一个实施例中，第一带涂层的热敏电阻器组件302设置在冷却器314之后的第二位置处，以在冷却排出气体之后监测排出气体的温度。在图3的示例性实施例中，第一带涂层的热敏电阻器组件302和第二带涂层的热敏电阻器组件316两者都被提供以在冷却器314前后均监测排出气体的温度。在如此的实施例中，第一带涂层的热敏电阻器组件302和第二带涂层的热敏电阻器组件316设置在冷却器314的相对侧。
[0045]本书面描述使用了包括最佳模式的示例来公开本发明，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的可专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员构想出的其它示例。如果其它示例具有并非不同于本权利要求的书面语言的结构要素，或者，如果其它示例包括与本权利要求的书面语言无实质差异的等同结构要素，则确定如此的这些示例在本权利要求的范围内。
[0046]部件列表
100传感器组件 102传感器
104第一传导性导线
106第二传导性导线 108保护涂层 200方法 202溶解步骤 204调整粘性步骤 206冷却步骤 208浸入步骤 210取出步骤 212蒸发步骤
214确定步骤(关于附加层)
216浸溃于着色剂的步骤 218固化步骤 300 EGR系统
302第一带涂层的热敏电阻器 304缸室306进气歧管308排气歧管310排气再循环 管线312 EGR 阀314冷却器
316第二带涂层的热敏电阻器
【权利要求】
1.一种传感器组件，包括: 传感器； 从所述传感器延伸的第一传导性导线； 从所述传感器延伸的第二传导性导线；以及 保护涂层，封装所述传感器与接近所述传感器的所述第一传导性导线和所述第二传导性导线的部分，其中，所述保护涂层包括无碳黑的含氟弹性体聚合物。
2.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述含氟弹性体聚合物包括反应混合物的聚合产物，所述反应混合物包括至少一个共聚用单体和四氟乙烯和/或偏二氟乙烯。
3.根据权利要求2所述的传感器组件，其特征在于，所述至少一个共聚用单体包括丙烯。
4.根据权利要求3所述的传感器组件，其特征在于，所述丙烯为六氟丙烯。
5.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述含氟弹性体聚合物为饱和的。
6.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述含氟弹性体聚合物含按重量至少60%的氟。
7.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述含氟弹性体聚合物具有大约50kV每毫米或更大的介电强度。
8.根据权利要求1所述的传感器组件，其特征在于，所述传感器为热敏电阻器。
9.根据权利要求8所述的传感器组件，其特征在于，所述热敏电阻器为负温度系数陶瓷。
10.一种涂布传感器组件的方法，所述方法包括以下步骤: 将含氟弹性体聚合物溶解在有机载体溶剂中； 调整所述有机载体溶剂的粘性； 将所述溶解的含氟弹性体聚合物冷却至低于周围环境温度的温度； 将传感器组件浸入所述冷却的含氟弹性体聚合物中，其中，所述传感器组件包括传感器和两条传导性导线，并且其中，也将所述整个传感器和接近所述传感器的所述传导性导线的部分浸入； 从所述含氟弹性体聚合物中取出所述传感器组件； 在取出所述传感器组件的步骤之后允许所述有机载体溶剂中的至少一些蒸发，从而产生含氟弹性体聚合物的共形层；以及 固化所述共形层来产生带涂层的传感器组件。
【文档编号】C09D127/12GK103483896SQ201310232936
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月13日 优先权日:2012年6月13日
【发明者】J.D.西顿 申请人:通用电气公司